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DISPOSITIF D'EMISSION SISMIQUE DANS UNE FORMATION
SOUTERRAINE ET METHODE POUR SA MISE EN UVRE
=
La présente invention concerne un dispositif d'émission sismique dans une
formation souterraine et méthode pour sa mise en oeuvre.
Un tel dispositif d'émission trouve des applications notamment dans le cadre
d'opérations sismiques où l'on foune des images sismiques d'une formation
souterraine à
explorer à partir d'ondes élastiques captées par des récepteurs sismiques
appropriés, ces
ondes étant renvoyées par les discontinuités du sous-sol en réponse à des
ondes émises par
une source telle qu'un vibrateur électromécanique.
Le système selon - l'invention est plus particulièrement utile dans le cadre
d'opérations de surveillance à long terme d'un gisement souterrain en cours
d'exploitation,
(un réservoir de stockage de fluides par exemple ou un gisement pétrolier)
dites de
sismique répétitive, où l'on compare des images sismiques du sous-sol obtenues
à
intervalles réguliers de façon à déceler les modifications qui ont pu s'y
produire dues à
l'exploitation. Il s'agit d'opérations de longue durée car les variations à
observer sont
relativement lentes.
Etat de la technique
La reconnaissance sismique d'un gisement souterrain s'opère d'une façon
générale
en couplant avec le sous-sol des sources sismiques et des récepteurs, suivant
différentes
combinaisons où les sources et/ou les récepteurs sont disposés à la surface ou
à son
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voisinage ou dans un ou plusieurs puits au travers de la formation explorée.
On réalise des
séries de cycles d'émission réception sismique en changeant à chaque fois
l'emplacement de
la source sismique par rapport à l'axe du puits où les ensembles de récepteurs
sont installés,
suivant une technique dite de "walk-away", et en enregistrant les arrivées aux
récepteurs R1 .
à Rn en fonction du temps de propagation t.
Les sources sismiques utilisées sont le plus souvent des vibrateurs
électromécaniques : électro-hydrauliques, piézoélectriques, etc. Des
vibrateurs de type
piézoélectrique sont décrits par exemple dans le brevet FR 2.791.180 ou le
brevet
US 5 360 951.
La surveillance de l'évolution des gisements nécessite généralement des
opérations
sismiques de surveillance espacées dans le temps. Dans la pratique, il faut
réinstaller
l'équipement sismique de surface à chaque nouvelle séance d'enregistrement
sismique, et,
de préférence, reproduire les conditions d'émission des opérations sismiques
précédentes.
Une méthode connue de surveillance d'un gisement d'hydrocarbures ou d'un
réservoir souterrain de fluide comporte l'utilisation d'un système de
surveillance
comprenant des antennes de réception formées par interconnexion de récepteurs
sismiques,
installées à demeure respectivement dans des trous de faible profondeur, aYec
des moyens
de connexion sur lesquels peuvent se brancher des câbles de connexion à un
laboratoire
sismique, et un camion vibrateur que l'on déplace sur le terrain.
L'utilisation d'une source mobile telle qu'un vibrateur présente des
inconvénients
surtout dans le cadre d'une surveillance périodique d'un rés'ervoir de
stockage souterrain.
Avec une source déplaçable, on ne peut assurer une reproductibilité suffisante
dans le
temps et dans l'espace des ondes sismiques émises. Il est très difficile de
positionner la
source exactement aux mêmes endroits que celles qu'elle occupait lors des
cycles
précédents d'émission réception précédents, et, dans l'hypothèse où ce lieu
serait
exactement le même, d'obtenir que son coefficient de couplage ayec le sol y
soit tout à fait
le même.
Par le brevet FR 2 728 973 (US 5 724 311), on connaît également une méthode et
un dispositif de surveillance sismique permanente d'une formation souterraine
Dans le
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cadre d'opérations de surveillance régulière à long terme d'une zone
souterraine, on installe
un dispositif d'émission réception sismique à poste fixe sur le site
d'exploitation, de façon à
retrouver d'une fois sur l'autre des conditions opératoires stables :
emplacements identiques
d'émission réception, qualité de couplage identique avec les terrains etc. Le
dispositif
comporte une pluralité de sources sismiques (des vibrateurs électromécaniques
par
exemple) à des emplacements fixes en surface ou bien enterrées à faible
profondeur, que
l'on alimente et on déclenche par une station centrale de commande et
d'enregistrement.
Les sources sismiques et le réseau de liaison peuvent être enterrés ou bien
encore installés
de façon permanente en surface, et associée à au moins un ensemble de
récepteurs qui est
couplé en permanence avec le sol en surface ou bien avec la paroi d'au moins
un puits
traversant la zone souterraine. Grâce à cet ensemble de sources à poste fixe
dont le
couplage avec les terrains environnant reste stable, et à ce réseau
d'alimentation au moins
en partie enterré dont l'aire d'emprise en surface est réduite, on peut mener
toute une série
d'opérations sismiques de surveillance dans des conditions opératoires
stables, sans risque
d'incompatibilité avec les activités du chantier d'exploitation.
Par le brevet 14.k 2.728.973 (US 5,724,311), on connaît un autre dispositif de
surveillance sismique permanente d'une formation souterraine au moyen d'un ou
plusieurs
ensembles d'émission réception sismique comportant chacun une source telle
qu'un
vibrateur et une antenne réceptrice formée d'une pluralité des récepteurs
d'ondes élastiques
tels que des géophones et/ou des hydrophones descendus dans un puits et
couplés avec la
foimation. La source sismique peut être disposée à la surface sur un bloc de
béton solidaire
du sol.' De préférence, on la fixe à une dalle dans une cavité voisine du
puits ou formée par
élargissement de la section du puits dans sa partie supérieure de façon à
diminuer les
perturbations dues aux variations hydrométriques du sol. Les récepteurs et la
source sont
reliés à une station extérieure de commande et d'acquisition de signaux. Les
opérations de
mise en place de ces ensembles sont relativement simples et la zone d'emprise
au sol des
différents puits est réduite ce qui facilite leur intégration sur des
chantiers d'exploitation de
gisements.
Grâce à cet ensemble de sources à poste fixe facilement intégrables sur les
chantiers
d'exploitation de gisements ou de stockage de fluides et dont la qualité de
couplage avec les
terrains environnant est connue et stable, on peut mener 'toute une série
d'opérations -
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sismiques de surveillance dans des conditions opératoires similaires. Les jeux
de traces
sismiques peuvent être utilement comparés et leurs différences sont bien
significatives des
changements survenus dans les formations.
Les vibrateurs évoqués ci-dessus sont couplés avec les terrains par une
surface
limitée ce qui présente de notables inconvénients. Le diagramme de rayonnement
favorise
en effet la formation d'ondes de surface et de type S se propageant à
l'horizontale, qui
perturbent les enregistrements et compliquent leur traitement. De plus, leur
rendement en
ondes de compression est relativement faible, et, comme leur profondeur
d'enfouissement
est relativement faible, on ne peut pas s'affranchir complètement avec elles
des variations
des caractéristiques pétroélastiques de la zone altérée dues aux conditions
météorologiques.
Le dispositif et la méthode selon l'invention
Le dispositif selon l'invention est adapté à émettre des ondes dans une
formation
souterraine. II comporte un ou plusieurs vibrateur(s) comprenant chacun deux
pavillons, au
moins un élément moteur adapté à engendrer des vibrations et à les communiquer
aux
pavillons et un générateur pour appliquer des signaux de commande périodiques
à
l'élément moteur. Il est caractérisé en ce que le ou chaque vibrateur est
positionné dans un
puits ou cavité et noyé dans au moins un matériau solide assurant son couplage
avec la
formation souterraine, ce matériau étant au contact avec les deux pavillons
sur une partie
au moins de chacune de leurs faces respectives.
Chaque vibrateur peut comporter des barres d'ancrage associées à au moins un
des
pavillons pour accroître le couplage du vibrateur avec la masse de matériau de
couplage.
Suivant un mode de réalisation, chaque pavillon comporte au moins deux plaques
disposées à distance l'une de l'autre et réunies par les barres d'ancrage.
De préférence, la surface externe de chaque plaque et celle des barres
d'ancrage sont
pourvues d'inégalités de relief (surface cannelée) pour accroître la surface
de couplage du
dispositif avec le matériau de Couplage.
Les pavillons peuvent être perforés de façon à faciliter la pénétration du
matériau de
couplage dans l'espace compris entre les pavillons.
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On peut utiliser par exemple un seul matériau d'enrobage qui est réparti de
façon à
assurer le couplage avec la formation, au moins au niveau des extrémités
opposées du
vibrateur. On peut aussi utiliser au moins deux matériaux de couplage
différents, un
premier matériau étant réparti suivant deux masses distinctes pour assurer le
couplage du
vibrateur avec la formation, au niveau de ses extrémités opposés, et un
deuxième matériau
étant intercalé entre les deux masses.
Avec ses pavillons étroitement en contact avec le matériau de couplage *à la
formation, le rendement énergétique du vibrateur est amélioré et l'émission
des ondes S
très atténuée par le mouvement en sens opposé des deux plaques.
=
Suivant un mode de mise en oeuvre préféré, le dispositif comporte plusieurs
vibrateurs connectés à un générateur de signaux, ces vibrateurs étant disposés
à intervalles
les uns des autres le long d'un puits et tous noyés dans au moins un matériau
de couplage.
Un boîtier de contrôle peut être intercalé entre les vibrateurs et le
générateur de signaux ce
qui permet de les déclencher successivement, de façon à obtenir une émission
orientée
principalement suivantun diagramme défini.
Pour permettre ce déclenchement des vibrateurs en séquence, le dispositif
comporte
par .exemple un récepteur sismique couplé avec les formations environnant le
puits à une
profondeur déterminée qui est connecté avec un. ensemble d'acquisition et de
traitement,
adapté à commander en séquence les vibrateurs.
Il peut également comporter des récepteurs sismiques associés aux différents
vibrateurs (ils sont par exemple fixés à des supports solidaires des barres
d'ancrage) et
connectés à l'ensemble d'acquisition et de traitement qui est adapté à
déterminer les temps
de trajet des ondes entre les emplacements des différents vibrateurs et à les
commander en
séquence.
Les éléments moteurs peuvent être d'un type quelconque : électromécanique,
électromagnétique, hydraulique, etc. Suivant un mode préféré de réalisation,
chaque
vibrateur comporte un pilier d'éléments sensibles (constitué par exemple
d'éléments
sensibles piézoélectriques ou magnétostrictifs) enrobé dans une gaine de
protection, le
matériau de couplage étant au contact avec la gaine de protection et avec les
deux plaques
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terminales sur une partie au moins de chacune de leurs faces respectives.
L'espace entre la
gaine et le pilier d'éléments sensibles peut être rempli d'un liquide tel que
de l'huile.
La méthode selon l'invention permet de générer dans une formation souterraine
des
signaux vibratoires suivant un diagrarrune d'émission orienté. Elle comporte :
- l'installation dans un même puits de plusieurs vibrateurs comprenant
chacun deux
pavillons, au moins un élément moteur adapté à engendrer des vibrations et à
les
communiquer aux pavillons et un générateur pour appliquer des signaux de
commande
périodiques à l'élément moteur, chaque vibrateur étant positionné dans un
puits ou
cavité et noyé dans au moins un matériau solide assurant son couplage avec la
formation souterraine, ce matériau étant au contact avec les deux pavillons
sur une
partie au moins de chacune de leurs faces respectives. ; et
- le pilotage en séquence des différents vibrateurs, par l'intermédiaire
d'un boîtier de
contrôle avec des décalages entre les instants respectifs de déclenchement qui
dépendent des intervalles entre les emplacements des vibrateurs et de la
vitesse de
propagation des ondes dans les formations environnant le puits.
Le pilotage en séquence des vibrateurs comporte par exemple l'application aux
vibrateurs de signaux de commande à fréquence fixe f dont la phase cicei est
reliée à la
fréquence f et au décalage de temps par la relation (Di = 291-. f
Il est possible également de piloter en séquence les vibrateurs en leur
appliquant des
signaux de commande de fréquences fixes distinctes les unes des autres de
façon à
permettre leur séparation.
Suivant un mode de mise en oeuvre, la méthode comporte le couplage avec la
formation environnant le puits d'un récepteur sismique et la détermination au
préalable des
temps de trajet des ondes respectivement entre chaque vibrateur et le dit
récepteur.
Suivant un autre mode de mise en oeuvre, la méthode comporte l'adjonction aux
vibrateurs, de récepteurs connectés à un ensemble d'acquisition et de
traitement de signaux
et le déclenchement en séquence des différents vibrateurs avec des décalages
entre les
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instants respectifs: de déclenchement calculés par le dit ensemble en
corrélant les signaux
produits par les différents récepteurs.
Présentation sommaire des figures
Les caractéristiques et avantages du dispositif et de la méthode selon
l'invention,
apparaîtront plus clairement à la lecture de la description ci-après d'un
exemple non
limitatif de réalisation, en se référant aux dessins annexés où:
- la fig.1 montre schématiquement un vibrateur enfoui dans du matériau de
couplage tel
que du ciment ou analogue ;
- la fig. la montre une plaque terminale de chaque vibrateur avec les barres
d'ancrage
réparties sur son pourtour ;
- la fig.2a montre schématiquement un mode de couplage de chaque vibrateur où
les
pavillons d'extrémité sont séparément couplés aux terrains environnant par un
même
matériau de couplage;
- les fig.2b et 2c montrent respectivement des cavités aménagées dans le puits
au niveau
de chaque pavillon, et un mode particulier permettant de créer chacune de ces
cavités ;
- la fig.3 montre schématiquement un agencement de plusieurs vibrateurs
enfouis à des
profondeurs différentes d'un puits, connectés à un système de pilotage en
surface,
permettant leur commande séquentielle avec des décalages de temps tenant
compte de
la vitesse réelle des ondes dans les formations environnant le puits ;
- la fig.4 montre schématiquement un vibrateur avec un géophone ass'ocié,
permettant un
autre mode de commande séquentielle de vibrateurs dans un puits ; et
- la fig.5 montre schématiquement un mode de réalisation du dispositif où
chaque
pavillon comporte deux plaques disposées parallèlement.
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Description détaillée
Le dispositif selon l'invention comporte au moins un (et de préférence
plusieurs)
vibrateurs V. Les vibrateurs peuvent être d'un type quelconque H
électromécaniques,
électromagnétiques, hydrauliques, etc.
Dans la description qui suit, on va considérer à titre d'exemple, le cas de
vibrateurs
comprenant au moins un pilier d'éléments sensibles (piézoélectriques ou
magnétostrictifs) 1
associé rigidement à chacune de ses extrémités opposées à un pavillon 2, 3 ou
plaque. Le
pilier d'éléments sensibles est centré par rapport aux pavillons 2, 3 et
recouvert par une
membrane déformable 4. Un câble de connexion 5 relie le pilier 1 à un
générateur 6 de
signaux de commande.
Le vibrateur V est placé dans une cavité ou puits W et un matériau de couplage
7 tel
que du ciment ou du béton par exemple, est injecté dans le puits de façon
qu'il soit en
contact intime avec le pilier 1 sur toute sa longueur et également avec les
faces opposées de
chacun des pavillons 2, 3. Pour pemiettre au matériau de couplage 7 de se
répartir de
manière bien homogène à l'intérieur de l'espace entre les pavillons, ceux-ci
peuvent être
pourvus de perforations 8. Le diamètre des pavillons 2, 3 doit correspondre
sensiblement
au diamètre de la cavité ou du puits W de manière à obtenir une surface
maximum de
couplage.
Pour améliorer encore le couplage et répartir les -contraintes dans un volume
important du matériau de couplage 7, des tiges d'ancrage 9 de longueur
appropriée peuvent
être fixées à la périphérie des pavillons 2, 3.
Suivant le mode de réalisation de la fig. 5, chaque pavillon 2, 3 comporte
comme
celui représenté, au moins deux plaques 2a, 2b disposées parallèlement reliées
l'une à
l'autre par des tiges d'ancrage 9. Pour améliorer le couplage avec le matériau
de couplage 7,
la surface externe de chaque plaque 2a, 2b et aussi des tiges de couplage 9
est de préférence
pourvue d'inégalités de relief, telles que des cannelures. L'espace entre la
membrane
tubulaire déformable 4 et le pilier d'éléments sensibles 1 peut comme
représenté être rempli
d'un liquide L tel que de l'huile.
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Le ciment utilisé pour le couplage doit sécher sans se rétracter de manière à
garantir
un bon couplage.
Au lieu de noyer le vibrateur entièrement dans un même volume 7 de matériau de
couplage, il est possible aussi comme illustré à la fig.2a, de coupler chacun
des pavillons
séparément avec les terrains environnants, par l'intermédiaire de deux volumes
7a, 7b de ce
même matériau. Pour isoler l'un de l'autre les deux volumes 7a, 7b, on coule
entre eux un
autre matériau 10. On peut utiliser par exemple de la bentonite ou analogue
qui a la
propriété de gonfler une fois mouillée et ainsi peut combler l'espace
intermédiaire. Cette
solution est utile par exemple quand le matériau de couplage a des propriétés
mécaniques
différentes de celles de l'encaissant (terrains environnants).
Suivant une variante de mise en oeuvre, le couplage du vibrateur avec les
formations
peut être amélioré si on aménage une chambre 11 dans la paroi du puits au
niveau de
chaque pavillon comme indiqué fig.2b. Pour créer un tel chambrage, on peut
utiliser par
exemple des outils de forage appropriés ou encore des substances explosives.
Une solution
consiste par exemple (fig.2c) à descendre dans le puits à l'endroit prévu
d'enfouissement du
vibrateur, une tige 12 portant deux enroulements 13 de cordeau détonant
suffisamment
espacés l'un de l'autre, que l'on fait détoner.
Suivant le mode de mise en oeuvre de la fig.3, le dispositif comporte
plusieurs
vibrateurs V1, V2, ..., Vn analogues à celui de la fig. lou 5, qui sont placés
à intervalles les
uns des autres le long d'un puits W. Les vibrateurs sont de même noyés dans un
ou
plusieurs matériau(x) de couplage 7, 10 (fig.1 ou fig.2a).
, Avec un tel agencement, en connectant les différents vibrateurs V1 à Vn au
, générateur 6 par l'intermédiaire d'un boîtier de commande 14 et en les
actionnant en
séquence avec des décalages de temps choisis entre eux, on peut obtenir un
effet de
directivité.
On amplifie ainsi les signaux vibratoires émis plutôt vers le bas au détriment
de
ceux qui se propagent dans d'autres directions. De ce fait, on diminue
notamment
l'amplitude du premier multiple réfléchi par la surface de la formation, qui
présente une
instabilité nuisible à la répétabilité du signal.
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Pour déterminer les instants de déclenchement, on procède par exemple de la
manière suivante.
On utilise un récepteur sismique R (hydrophone, géophone ou de préférence une
combinaison de ces deux capteurs) disposé de préférence sensibleMent à la
verticale du
puits contenant les vibrateurs ou bien à une distance horizontale suffisamment
faible pour
que les temps de trajets entre chaque vibrateur et ce récepteur R ne diffèrent
pas
sensiblement des temps de trajet verticaux. Le récepteur peut être positionné
dans le puits
_ contenant les vibrateurs et il est relié à un ensemble d'acquisition et
de traitement 15
disposé par exemple en surface. Si plusieurs récepteurs sont positionnés le
long du puits
sous les vibrateurs, on choisira par exemple le plus profond d'entre eux. On
peut utiliser
aussi un récepteur en surface. On mesure au préalable le temps de trajet t9,
des ondes entre
chaque vibrateur Vi et ce récepteur R. Les décalages de temps ti (i=1 à n) à
appliquer aux
différents vibrateurs Vi se déduisent de ces temps de trajet par la relation :
ti = K + 6.7.91 où K est une constante et e est égal à +1 ou ¨1 suivant que le
récepteur R est
situé au-dessus ou au -dessous de l'ensemble des vibrateurs. L'ensemble 15
commande
l'application de ces décalages de temps aux vibrateurs par l'intermédiaire du
boîtier de
commande 14.
Dans le cadre d'une utilisation où les vibrateurs émettent chacun une mono-
fréquence comme décrit dans la demande de brevet FR 00 01792 des demandeurs le
décalage apparaîtra sous la forme d'un déphasage par fréquence relié au
décalage en temps
précédent par la relation : 4i = 27cf ti .
Suivant le mode de mise en oeuvre de la fig.4, il est également possible de
contrôler
le déclenchement en séquence des vibrateurs placés dans le puits, en associant
à chacun
d'eux, un récepteur sismique tel qu'un géophone 01. Chaque géophone est par
exemple
fixé à un support 16 disposé entre deux barres d'ancrage 9. Les géophones sont
connectés -
respectivement à l'ensemble d'acquisition et de traitement 15 extérieur au
puits. Pour
ajuster en temps réel le retard au déclenchement d'un vibrateur Vi quelconque
par rapport
au premier de la série, on mesure le temps effectif de parcours des ondes
entre eux par toute
méthode de mesure de décalage entre signaux, notamment en réalisant une
intercorrélation
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entre les signaux délivrés respectivement par les géophones soit dans le
domaine temporel
ou dans le domaine des fréquences et l'on déclenche le vibrateur Vi en tenant
compte de ce
temps de parcours effectif. Cette mesure du décalage temporel peut être
réalisée par
intercorrélation. Les décalages calculés par l'ensemble 'de traitement 15 sont
transmis au
boîtier de commande 14 qui retarde en conséquence les différents vibrateurs
par rapport au
premier d'entre eux.
On a décrit des vibrateurs comprenant un seul pilier central 1. On ne
sortirait pas
cependant du cadre de l'invention en intercalant plusieurs piliers d'éléments
sensibles
piézoélectriques entre les deux pavillons 2, 3.
